11.09.2008

Этичный спирт польётся тёпленьким

Разрешить энергетический кризис, не усугубляя продовольственный, могут помочь бактерии, «воспитанные» эффективно сбраживать сахар при высоких температурах. До сих пор именно разрыв оптимальных рабочих температур между катализаторами, разбивающими полисахариды на простые компоненты, и бактериями, делающими из последних спирт, был одной из главных проблем на пути получения дешёвого биотоплива второго поколения.

Сторонников перехода автомобилей с бензина на этанол, полученный из органической биомассы, в настоящее время едва ли не меньше, чем противников такого шага. Первые утверждают, что тем самым снижают собственную зависимость от поставок нефтепродуктов, да к тому же и избавляются от многих вредных выбросов в атмосферу.

Вторые не боятся возразить, что от выбросов парникового газа CO2 эта полумера все равно не спасёт, да и засевать сельхозугодья культурами, обреченными на переработку в биотопливо, в условиях сокращения продовольственных ресурсов в мире – по меньшей мере, неэтично. Потому переходить надо стремиться сразу на водород.

Последней ответной апелляцией сторонников использования биоэтанола стала попытка разработки методов получения его не только из легко разлагаемых природных сахаров, содержащихся в сахарной свекле и тростнике. По мнению многих ученых, спасти человечество от топливного кризиса, не усугубляя кризис продовольственный, может только разработка методов переработки в биотопливо целлюлозы.

Если эти технологии – технологии производства так называемого биотоплива второго поколения – будут реализованы, на переработку в этиловый спирт можно будет отправить свежеопавшие листья и скошенную траву, опилки деревоперерабатывающей промышленности и даже старую деревянную мебель.

Проблема в том, что эффективно разложить целлюлозу и крахмал на составные части в технологическом процессе не так уж и просто – необходимо использование дорогостоящих ферментов, катализирующих разрыв связей между моносахаридными звеньями. Притом для удешевления процесса делать это необходимо в сочетании с одновременным процессом ферментирования простых сахаров бактериальными культурами с выработкой биоэтанола.

Кроме того, для уменьшения затрат на дорогостоящие катализаторы разложения целлюлозы ученые пытаются адаптировать микроорганизмы, способные полностью или хотя бы частично разорвать длинные целлюлозные цепочки.

Проблема подобного подхода в том, что многие анаэробные бактерии, сбраживающие сахар в этанол, могут эффективно работать лишь при пониженных температурах – не более 37 градусов по Цельсию. В то же самое время ферменты, эффективно разлагающие целлюлозу и нецеллюлозные полисахариды, такие как лигнин или ксиланы, эффективно работают только при повышенной до 50–60 С^o температуре.

Чтобы скорость сбраживания разложенных сахаров бактериями хоть как-то подогнать под скорость разложения сложных полисахаридов до простых сахаров ферментами последних, зачастую в реакционную смесь приходится добавлять в большом избытке. Это очень дорого и для промышленного производства конкурентоспособного по цене продукта неприемлемо.

В работе, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, профессор Дартмутского колледжа Ли Райбек Линд продемонстрировал метод использования высокотемпературных анаэробных штаммов бактерий для разложения целлюлозы и нецеллюлозных полисахаридов при повышенных температурах.

Для этого он, как и многие его предшественники, использовал так называемые термофильные бактерии Thermoanaerobacterium saccharolyticum. Они способны частично разлагать целлюлозу и эффективно сбраживать моносахариды – такие, как глюкоза и ксилоза, однако в процессе метаболизма вырабатывают и побочные продукты, главным образом – молочную кислоту; эти побочные продукты резко снижают общий полезный выход процесса.

Ученые прежде предпринимали попытки добиться селективного сбраживания от T. Saccharolyticum, в результате которого образовывался бы только этанол, однако классические методы мутагенеза и селекции не позволили получить устойчивых штаммов. Потому Линд прибегнул к методам генной инженерии и попросту блокировал, или, как говорят генетики, нокаутировал гены, ответственные за выработку молочной кислоты.

Однако одного этого шага было мало для достижения нужного результата. Получившийся после блокирования генов штамм Линд в течение нескольких тысяч часов «воспитывал». Не в духе Трофима Денисовича Лысенко, конечно – Линд культивировал бактерии в среде с постепенно повышающейся концентрацией ксилозы – углеводорода, входящего в состав повсеместно встречающихся в растениях полисахаридов. На каждом этапе этого процесса у неизбежно появляющихся в пробирке «мутантов», лучше приспособленных к использованию в процессах жизнедеятельности ксилозы, появлялось эволюционное преимущество, и таким образом, шаг за шагом, их доля возрастала.

Получившийся в результате культивирования штамм оказался выдающимся сразу по нескольким параметрам.

Во-первых, в процессе метаболизма эти бактерии производили только этанол, а во-вторых, использовали для этого в равной степени и пятиуглеродные моносахариды ксилозы, и шестичленную глюкозу; в то время как обычные бактерии предпочитают лакомиться исключительно последней.

При этом культивированные термофилы прекрасно работают при температурах от 50 до 60 градусов Цельсия и производят существенно больше этанола при той же загрузке ферментов разложения целлюлозы.

Однако сам Линд признает, что продемонстрированный им подход к разработке нужных штаммов бактерий с помощью генной инженерии пока что является только первым шагом для внедрения технологии получения этанола с целлюлозной предысторией в промышленность.

Дело в том, что максимальная концентрация спирта в питательной среде, которой ученым удалось достичь в ходе экспериментов, не превышает четырех массовых процентов. Дальнейшее её увеличение снижает активность бактерий, в результате чего переработка целлюлозы сильно замедляется. Грубо говоря, в светлом пиве эти бактерии ещё способны трудиться, а вот с увеличением доли спирта в растворе начинают лениться.

Учитывая, что смертельная концентрация спирта для этого штамма бактерий в два с лишним раза больше – они могут существовать и в крепком «пиве», то основной задачей Линда становится победить эту лень и заставить бактерии выполнять полезную работу и в более алкогольной среде. Подобные работы на других штаммах бактерий коллеги дартмутского профессора уже демонстрировали

Источники:

1. Газета.Ru